轻型商用制冷设备的冷凝器关键技术分析

2021-07-19朱晓娟邓萍萍李建周

日用电器 2021年6期

朱晓娟邓萍萍李建周

（长虹美菱股份有限公司合肥 230000）

引言

随着居民消费需求不断升级、中产阶级数量增多，食品保鲜意识不断提高，这些因素促进了我国冷链物流行业逐渐增长，陈列柜、冰激凌柜、厨房冰箱、智能无人售卖柜等冷链物流终端设备需求不断增大。相比家用制冷设备的销量而言，轻型商用制冷设备还处于初步发展阶段，产品存在能耗大、噪音高等问题，如陈列柜的能耗占据了超市总能耗的2/3[1]。国家发改委等七部委联合印发的《绿色高效制冷行动方案》提出，到2022年，要求商用冷柜、冷藏陈列柜能效提高20 %，制冷总体能效水平提高25 %以上，实现年节电约1 000亿千瓦时。因此，降低轻型商用制冷设备的能耗、提升产品节能技术，是我国轻型商用制冷设备实现突破性增长的关键。

在立式陈列柜、卧式冷冻柜等轻型商用制冷设备中，开发高效节能换热器依然是制冷系统节能的主要途径。冷凝器作为制冷系统四大部件之一，在效率和功耗方面都占很大比重。提升冷凝器的换热能力、减少压降一直是制冷技术研究的重点。从“能量守恒”的角度来说，冷凝器散失的热量一部分来自于压缩机消耗的轴功，另一部分来自于蒸发器吸收的热量。因此，冷凝器的性能优化显得十分必要。

随着冷链物流行业市场快速发展，对各类冷凝器的强化换热技术现在进行梳理是很有必要的。目前，有关传热面的强化换热如翅片管结构类型[2-4]、管内强化[5,6]等对冷凝换热性能影响的研究已获得了一定的研究成果。其中，微通道冷凝器以其结构紧凑、换热效率高的特点在轻型商用制冷设备中广泛应用，但其表面容易堆积灰尘，导致空气侧压降增加，导致其性能严重衰减。

本文将对常见冷凝器的强化换热技术进行研究总结，如翅片类型对冷凝器传热性能的影响、小管径冷凝器的换热性能等。在此基础上，对常规的冷凝器除尘技术进行验证分析，根据验证结果提出轻型商用设备用冷凝器运行时的最佳除尘方案，确保冷凝器的换热能力不衰减，有助于提高制冷系统的整体性能。

1 冷凝器关键技术分析

1.1 冷凝器概述

轻型商用制冷设备常用的冷凝器主要有丝管冷凝器、翅片管式冷凝器、旋翅冷凝器和微通道冷凝器，如图1所示。

图1 常见冷凝器型式[1]

丝管冷凝器是由冷凝管、固定在冷凝管上的散热钢丝和支架组成，冷凝管上设置有与散热钢丝外表面适配的圆弧凹槽，散热钢丝放置在圆弧凹槽中并焊接固定。小型立式展示柜上应用丝管冷凝器较多。

翅片管式冷凝器是目前应用最为广泛的换热器型式，它通过在普通的传热管上加装翅片来达到提高传热系数和传热面积的目的。与光管相比，散热翅片与传热管接触面变大，传热能力增强。热量通过紧绕在钢管上翅片传给经过翅片间的空气，达到加热和冷却空气的作用。

旋翅冷凝器是一种使用螺旋翅片紧密地缠绕在冷凝管的外表面，与传统丝管冷凝器、翅片管式冷凝器相比，换热效率可以提高30 %[8]。

微通道冷凝器是由内置微通道的铝制扁管，开窗铝翅片，集流管组成。翅片开窗角度，片间距，集流管的布置方向，扁管内通道数也可根据实际系统配置需要确定。与翅片管式冷凝器相比，微通道冷凝器因其质量较轻，减少制冷剂充注量，高效节能的优点在轻型商用制冷设备中的应用已成为趋势。

目前，国内外对风冷冷凝器研究总的趋势是：强化传热的研究；开发高效、紧凑、重量轻的新型冷凝器。

1.2 风冷冷凝器强化传热

冷凝器的优化是轻型商用制冷设备提升能效、降低不可逆损失的关键，强化传热措施一般通过提高传热温差、拓展传热面积和提高传热系数来实现。

翅片管式冷凝器的强化换热一般包括传热面的强化和管内强化。传热面的强化一般通过改变翅片类型和翅片开缝位置实现，翅片型式一般有波纹菱形开缝翅片、波纹片和平直翅片，现有研究表明，当Re数在5000～7000时，平直翅片表明温度分布较为均匀，而波纹菱形开缝翅片和波纹片由于流体扰动较大，温度分布不均匀，因此换热性能也优于平直片，波纹菱形开缝翅片的传热效果提高了95～97 %[2]。管内强化换热技术一般通过改变传热管结构和制造工艺，例如变螺距内螺纹换热管、小管径换热管，从而提高制冷剂在管内的换热系数。

微通道冷凝器在饮料柜上应用广泛，常见的强化换热方式一般有翅片的优化、扁管的通道数和宽度、回路设置和集流管的布置方向。研究表明，不同流路布置方案对冷凝器换热量和制冷剂侧压降影响较大[9]，相同流程不同扁管通道数对换热量影响较小。微通道冷凝器流路优化是强化换热的重要手段，通过降低制冷剂的饱和压力和增加制冷剂的质量流量可以提高冷凝器换热性能。

2 冷凝器除尘技术分析

2.1 常规除尘技术

商用制冷设备的冷凝器使用一定年限后，空气中的灰尘会粘附在冷凝器翅片表面，形成空气侧污垢，影响冷凝器的换热性能，因此，定期对冷凝器进行除尘有助于提高制冷系统的整体性能。

冷凝器常规除尘技术主要有静电除尘技术、安装过滤器、优化冷凝器结构和EC电机除尘。静电除尘技术是利用两极之间的高压电场形成电晕进行工作的，在电晕区里的自由带电粒子吸附在颗粒物上使其带电，粉尘与负离子结合带电后，趋向阳极表面放电而沉积；安装过滤器是指在冷凝器前端安装过滤器，在气体吹向换热器表面之前先将气体里面的粉尘颗粒吸附下来；优化冷凝器结构主要是翅片结构设计需要找到换热能力与防积灰之间的平衡以满足换热器高效和长效的要求；EC电机除尘是控制设备控制风扇反转除尘，进入除尘运行后压缩机停止运行，风扇以正常运行时相反的方向旋转，从而实现冷凝器除尘的目的。

其中，EC电机除尘是通过控制器定时让风扇自动地为微通道冷凝器进行除尘,不再需要人工进行除尘,节省了人力,同时极大地提高了除尘的效率，在轻型商用制冷设备中应用较多。

2.2 冷凝器除尘技术验证分析

试验分为三组，如表1所示。其中所使用的微通道冷凝器高度H=140 mm，宽度W=140 mm，厚度D=32 mm，所有组中冷凝器换热面积相同，验证样机为美菱某型号商用冷冻柜。

表1 冷凝器除尘试验分组表

三组试验均在相同的环境温度和湿度状态下测试，通过在不同时间段在冷凝器表明布满灰尘，记录三组不同除尘方式试验情况下压缩机机壳最高温度、24 h耗电量和拉温速度。根据试验结果得出，冷凝器灰堵会引起散热严重衰减，试验一组在没有对冷凝器进行除尘的条件下，压缩机机壳最高温度同比EC电机除尘时高11度，耗电量也高于在运行过程中进行除尘的试验二组和试验三组，如表2所示。

表2 不同除尘方式机壳最高温度、耗电量、拉温速度对比表

由以上测试结果可知，在相同测试工况下，人工除尘与EC电机除尘对耗电量和拉温速度的影响相差不超过3 %，而不带除尘设备的试验一组耗电量、压缩机机壳温度、拉温速度的测试结果同比带除尘情况下差距较大，24 h耗电量高达3.17 kW·h / 24 h，相较EC电机除尘耗电量提高了22 %，不带除尘设备长期运行会造成压缩机寿命减小，系统效率降低。因此，建议定期对商用制冷设备的冷凝器除尘清灰，以保证制冷系统在实际运行时达到最佳工况。